非平衡状態の相関関数に潜む普遍法則
研究成果 2023/08/23
東京大学大学院理学系研究科の大賀成朗大学院生、伊藤創祐准教授、アルテミー・コルチンスキー客員共同研究員は、相互相関関数の非対称性と呼ばれる統計量が、熱力学的な駆動力の大きさで決まる限界を決して超えないことを表す、普遍的な不等式を発見しました。
生命現象をはじめ、自然界に存在する多くの過程、例えば振動、循環、情報伝達、方向性のある運動などは、系にエネルギーを注入する熱力学的な駆動力の存在下で初めて可能になる非平衡現象です。こうした現象の大きさ（度合い）を定量的に表す指標の一つが、相互相関関数の非対称性です。本研究は、この非対称性を初めて普遍的かつ定量的な形で駆動力と結びつけ、一定の駆動力のもとで達成できる各現象の大きさの上限、すなわち現象の普遍的限界を発見しました。特に、本結果の帰結として、振動現象のコヒーレンス（規則正しさ）に対する普遍的限界が得られます。この帰結は、先行研究で予想されたものの6年間にわたり未証明であった普遍不等式を証明したことになります。これらの結果は、ゆらぎの熱力学と呼ばれる枠組みを用い、平面幾何の等周不等式を応用して導出されました。
本結果は幅広い系に対して普遍的に成り立ち、個別の系を超えた、非平衡現象の統一的な理解につながることが期待されます。さらに、実験で相互相関関数を測定することで、系に働く駆動力の大きさを推定する手法としても役立ちます。
本研究成果はPhysical Review Letters誌に掲載されました。また、特に注目すべき論文として顕彰されるEditors’ suggestionに選ばれ、アメリカ物理学会のオンラインマガジンPhysics Magazineにも取り上げられました。
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